План

Введение
1 Состояние проблемы.
2 Геологическое строение изучаемой территории.
2.1 Геологическое строение Донецко – Макеевского района.
2.2 Геологическое строение летного поля аэропорта г. Донецк.
3 Методика исследования.
4 Результаты проведенных работ.

Ведение

Цель данной работы является выявление участков низкой плотности грунтов на территории летного поля аэропорта Донецк и определение их природы.
Новизна работы заключается в комплексном анализе геологических, геофизических, инженерно–геологических и дистанционных данных, что дает возможность получить качественно новую информацию о неоднородностях массива горных пород на участке.
Задачи исследований состояли в следующем:
- провести анализ данных геофизический исследований, направленных на выявление геодинамических зон;
- выполнить анализ космоснимка исследуемой территории с выделением линеаментов, отражающих разрывные структуры массива горных пород;
- выполнить анализ физико-механических свойств грунтов и выделить параметры, которые наиболее контрастно отражают участки низкой плотности грунтов;
- построить карту площадного распределения значений показателя, отражающего низкую плотность грунтов.
Сопоставить участки низкой плотности грунтов с геодинамическими зонами и линеаментами.

1 Состояние проблемы.

Выявление зон низкой плотности грунтов необходимо при проектировании и строительстве различных сооружений и промышленных объектов. Зоны низкой плотности грунтов часто связаны с активными разломами или с разрывными нарушениями, составляющими зоны таких разломов. Такие структуры могут оказать негативное воздействие на участки техногенных объектов. Зоны низкой плотности грунтов могут быть связаны также и с такими структурными элементами, как складки, участки с повышенной трещиноватостью и рассланцеванием. В пределах влияния таких структур в грунтах снижаются прочностные свойства грунтов, наблюдается более активная циркуляция подземных вод. Все эти явления могут привести к деформациям промышленных сооружений, а в отдельных случаях и к полному их разрушению [1,2].
Геодинамические зоны (ГДЗ)- структурные элементы горного массива, с локально измененным напряженно-деформированным состоянием горных пород на границах тектонических (геодинамических) блоков. ГДЗ в горном массиве проявляются дезинтеграцией пород, локальным изменением тектонической и литологической структуры пород и сопровождаются аномалиями физических полей, а на земной поверхности проявляются линеаментами (фрагментарно или полностью) [3].
Границы между блоками земной коры представляют собой геодинамические зоны (ГДЗ). Они имеют определенные размеры по ширине (в плане) и различную протяженность на глубину, зависящие от причин, вызывающих движение блоков. Геодинамические зоны могут иметь либо аномально напряженное состояние (при дальнейшем развитии которого может произойти разрыв и перемещение блоков горного массива), либо представляют собой структуры, по которым происходили или происходят тектонические подвижки блоков горного массива [2,3].
Зоны ГДЗ, представленные многочисленными субпараллельными трещинами, являются системой упорядоченной ориентации и пересекают ареалы разнообразных категорий рельефа, ландшафтов, литофациальных и стратиграфических ассоциаций горных пород без смены ориентации. В этих зонах наблюдаются закономерные изменения физических свойств горных пород: увеличение пористости и уменьшение упругости, механической устойчивости, молекулярной влагоемкости, электропроводности, магнитной восприимчивости[4].
Такие зоны представляют собой участки нестабильности и возможной повышенной миграции веществ. Разуплотненные, трещиноватые породы в пределах ГДЗ обеспечивают повышенную фильтрацию как природных (естественных), так и техногенных загрязненных вод. Одновременно ГДЗ являются наилучшими путями энерго- и массопереноса. По этим зонам (особенно глубинных разломов) из недр Земли поднимаются к поверхности различные виды энергии, а также пароводные и газообразные потоки различных химических элементов и соединений, в том числе и агрессивных по отношению к инженерным конструкциям [2]. Геодинамические зоны относятся к участкам повышенной сейсмической активности из-за того, что именно по ним упругие волны от эпицентра землетрясения распространяются с минимальными затуханиями. Поэтому именно в этих зонах возможна максимальная степень понижения сейсмической устойчивости [4].

2 Геологическое строение изучаемой территории.

2.1 Геологическое строение Донецко – Макеевского района.
Участок исследования относится к Донецко-Макеевскому угленосному району, площадь которого составляет 3170 км2. Большая часть района расположена на южном склоне главного донецкого водораздела в области верховьев рек, которые протекают до Азовского моря (Кальмиус, Глечик), до Днепра (Вовча), до Северского Донца (Кривой Торец). Наиболее высокие отметки поверхности (до +280 м) наблюдаются в северо-восточной части района в станции Кринична, минимальные (+90 м) - в долине рек Глечика и Кальмиус.
Донецко-Макеевский угленосный район размещается на южном крыле Кальмиус-Торецкой котловины. В геологическом строении района берут участие отложения среднего и верхнего карбона, которые почти повсюду перекрыты четвертичными, а местами палеогеновыми отложениями. В крайней западной части района на размытой поверхности карбона залегают породи триасового и мелового века.
Общее падение пород карбона северо-западное 12-18°, только на крыльях складок второго порядка угла падения более крутые и достигают 70°. Западная часть района отличается простой тектоническим строением — спокойным залеганием пластов, незначительными разрывными нарушениями, центральная и особенно восточная часть района интенсивным проявлением пликативных и дизъюнктивных нарушений субширотного и субмеридиального направлений. Субширотные пликативы развиты только в восточной части района. Основные из них это Макеевско-Ряснянская синклиналь, расчленена поперечными складками на отдельные брахисинклинали. Крутая Ясиновско-Ждановская флексура делит ее на собственно Макеевскую мульду на западе и Ряснянскую синклиналь на востоке. Поперечные — субмеридиальные – флексурные
Залегание пород осложнено серией поперечных флексур и надвигами различного направления, а также мульдообразными прогибами и куполовидными поднятиями, что обуславливает сложное тектоническое строение района, особенно его северо-восточной и южной частей.
Юго-западная часть района от р. Волчьей до западной окраины г. Донецка характеризуется спокойным моноклинальным залеганием слоев, падающих на север под углом 5-10°. Площадь характеризуется незначительным развитием разрывных нарушений. Наиболее крупный Мушкетовский надвиг имеет амплитуду 15-50 м. В крайней части района моноклинальное, пологое (3-12°) залегание пород осложнено пересекающимися надвигами – Калиновским, Буденновским, Мушкетовским, Первомайским, Диагональным. Наиболее крупные из надвигов – Калиновский и Первомайский – почти меридионального простирания, а амплитуды смещения 300-400 м выходят на юг далеко за пределы района.

В геологическом строении летного поля аэропорта г. Донецк участвуют дислоцированные породы карбона, осложненные тектоническими разрывными нарушениями надвигового типа. Карбон представлен чередованием пластов песчаников, алевролитов, аргиллитов и известняков. В пределах большей части территории отмечается преимущественно субширотное простирание пород. Непосредственно, на участке проектируемой искусственной взлетно-посадочной полосы (ИВПП) крупных тектонических нарушений не имеется. В 400 метрах к востоку от ИВПП, расположен Пантелеймоновский надвиг с амплитудой сместителя 10-20 м. В зоне влияния надвига шириной около 1500 м отмечается резкое изменение элементов залегания пород, сопровождаемое образованием флексурообразного перегиба. К востоку от надвига выделяются синклинальная, а к западу - антиклинальная складки. Пантелеймоновской флексуры имеют северо-восточное простирание. Проектируемая ИВПП расположена в моноклинально залегающей толще каменноугольных пород, в опущенном (западном) крыле Пантелеймоновской флексуры. Углы падения составляют 10-120.
По данным разведочного бурения и других видов исследований геолого-литологическое строение участка имеет следующий вид:
- существующая взлетно-посадочная полоса сложена насыпными грунтами (tIV), почвенно-растительным слоем (еIV), эолово-делювиальными отложениями (vdIII), средне-верхне-плейстоценовыми и элювиально-делювиальными отложениями (edII-III).
Плейстоценовые покровные образования подстилаются неогеновыми континентальными отложениями, неогеновые глины зафиксированными большинством разведочных скважин.

3 Методика исследования

Для выявления мелко амплитудных разрывов и трещиноватых зон применялся комплекс методов геолого-геофизических исследований, который включал:
- анализ геологических и тектонических карт;
- линеаментный анализ космоснимка;
- геофизические исследования методом структурно - геодинамического картирования (азимутальный способ СГДК-А);
- геофизические иссвледования методом измерений естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ);
- метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ);
В результате проведения комплекса геофизических исследований закартированы геодинамические зоны (ГДЗ) различных категорий геодинамической активности. Для уточнения полученных «УКРНТЭК-ГЕОДИНАМИКА» проведен анализ космоснимков участка и данных лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов Анализ космоснимков дает возможность охватить большую площадь и провести оценку территории с определением потенциально опасных участков, зон повышенного риска, где не рекомендовано производить строительство. Использование этих снимков позволяет оценить и выявить участки нарушений геологической среды, активные тектонические нарушения (линеаменты). Дистанционные исследования позволяют также прослеживать изменения во времени компонентов окружающей среды, в том числе и форм проявлений разрывных дислокаций. По космоснимкам можно выявить ранг разрыва, его структуру, простирание и, в ряде случаев, кинематические характеристики.
Выявление линеаментов тектонической природы на космоснимке базируется на анализе линейных элементов ландшафта. При этом используются такие признаки разрывных структур, как спрямление участков балок и рек, параллельные изгибы русел балок и рек, линейные уступы рельефа, линейно расположенные участки густой и более темной растительности (водонасыщенные разломы) и др. [5].
На участке проведено бурение скважин. Буровые работы проводились с целью определения физико-механических свойств грунтов путем отбора монолитов и проб грунтов ненарушенной структуры в характерных точках разреза с последующим исследованием отобранных образцов в лабораторных условиях и получением количественных значений характеристик грунтов. Керн скважин тщательно изучался и описывался. Положение скважин на участке определялось по предварительно полученным данным геолого-геофизических исследований и уточнялось по результатам бурения конкретных скважин. Обработка материалов буровых работ заключалась в идентификации грунтов по макроскопическому описанию, группированию их в отдельные слои. В результате были построены инженерно – геологические разрезы, которые отражают литологию пород, уровень воды в скважинах. В процессе бурения скважин велись гидрологические наблюдения с целью получения качественной информации о проходимых породах и водоносных горизонтах. В целом был выполнен комплекс необходимых исследований, который предусмотрен при инженерно-геологических изысканиях [6]. Для выделения участков низкой плотности грунтов обычно анализируются такие показатели: плотность частиц грунта, плотность сухого грунта, плотность водонасыщенного грунта, плотность взвешенного грунта, пористость, коэффициент пористости[7].
Полученные данные свидетельствуют о наличии здесь участка низкой плотности грунтов. Природа такого явления – тектоническая, и обусловлена пересечением активных разрывных нарушений различной ориентировки. Такой участок требует особого внимания, так как в пределах его возможны деформации взлетно-посадочной полосы. В целом по результатам комплексных исследований на участке установлены активные тектонические разрывные дислокации коренного массива пород, которые формируют в перекрывающих рыхлых отложениях и грунтах участки низкой плотности. Такие участки могут представлять опасность для сооружаемых промышленных объектов, в частности, для взлетно-посадочной полосы аэропорта города Донецка
Геофизические исследования проводились методом структурно - геодинамического картирования (азимутальный способ СГДК-А), который основан на концепции, согласно которой текущие геодинамические процессы, приуроченные к тектоническим нарушениям фундамента и осадочного чехла, достаточно отчётливо проявляются в динамике физико-механических свойств горных сред поверхностного слоя. СГДК-А - азимутальный способ, оперирующий гармоническими полями, базируется на установленном явлении азимутальной неоднородности электропроводности различных сред поверхностного горизонта в связи с текущими геодинамическими процессами коренного массива [5].
Азимутальная неоднородность электропроводности поверхностных сред обнаруживает несколько фоновых и аномальных уровней. Аномальные значения она приобретает над разрывными нарушениями и зонами их динамического влияния, над приповерхностным карстом, геологическими уступами, локальными магматическими объектами, формирующимися оползневыми отрывами и пр. Через азимутальную неоднородность обнаруживаются и деформации грунтов, обусловленные интенсивными инженерными воздействиями на горную среду.
Геофизические исследования проводились методом измерений естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ), который основан на регистрации естественной импульсной электромагнитной эмиссии, зависящей от деформаций пород, возникающих под действием полей напряжений. Импульсы естественного электромагнитного излучения возникают в толще земных пород в результате необратимых механических деформаций зерен минералов или капилляров, при образовании трещин. Скорость следования импульсов является своеобразным индикатором происходящих в породах процессов и традиционно используется для оценки напряженно – деформированного состояния массивов горных пород, изучения и прогнозирования оползней, обвалов и других геодинамических явлений, закарстованных территорий и т.д.
Значения ЕИЭМПЗ на участке исследований изменяются от 2,0 до 117 имп/сек. Выхода песчаников и известняков под рыхлые отложения характеризуются высокими значениями импульсов электромагнитного поля и составляют 60-80 и 100-120 имп/сек, соответственно. Геодинамические структуры на участке исследований характеризуются пониженными значениями поля (2,0-10,0 имп/сек).
Исследования метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) проводилось с целью изучения вертикального разреза массива горных пород аппаратурой АНЧ-3. Шаг наблюдений составил 25 м. Измерения выполнены по ПР1 в объеме 175 физ. точек с учетом контрольных.
В результате геоэлектрического зондирования выделены аномальные участки, характеризующиеся сменой типа кривых ВЭЗ, смещением геоэлектрических границ по вертикали и локальным изменением ?k, что, вероятно, обусловлено разуплотнением или трещиноватостью пород коренного массива в пределах геодинамических структур

4 Результаты проведенных работ.

В результате проведения комплекса геофизических исследований закартированы геодинамические зоны (ГДЗ) различных категорий геодинамической активности (Рис. 1). Ниже приведена характеристика некоторых геодинамических зон. ГДЗ 10 имеет северо-восточное простирание, ГДЗ 2 и 9 – меридиональное простирание. При этом ГДЗ 2 отнесена к высокой категории геодинамической активности, а ГДЗ 9 – к средней. ГДЗ 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 имеют северо-западное простирание. ГДЗ 1 отнесена к высокой категории активности, ГДЗ 5 имеет среднюю активность.
Для уточнения полученных «УКРНТЭК-ГЕОДИНАМИКА» данных проведен анализ космоснимков участка и данных лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов (см. Рис. 1)
Рис. 1. Карта изменения пористости грунтов с геодинамическими зонами и линеаментами участка взлетно-посадочной полосы аэропорта г. Донецк.

Условные обозначения.

Анимированный рисунок - Физико-механические свойста грунтов (7 кадров; 93,9 КБ; 50 повторений)

Таблица 1 Физико механические свойства грунтов